1.计算机⽹络背景

网络发展：

⽹络互联: 多台计算机连接在⼀起, 完成数据共享;

局域⽹LAN: 计算机数量更多了, 通过交换机和路由器连接在⼀起;

⼴域⽹WAN: 将远隔千⾥的计算机都连在⼀起;

所谓 “局域⽹” 和 “⼴域⽹” 只是⼀个相对的概念. ⽐如, 我们有 “天朝特⾊” 的⼴域⽹, 也可以看做⼀个⽐较⼤的局域⽹.

初识协议

在计算机网络中，协议（Protocol）是一组规则和标准，用于规定不同设备之间如何通信。它就像人类之间的“语言”或“礼仪”，确保通信双方能够理解彼此的行为和数据格式。

计算机之间的传输媒介是光信号和电信号. 通过 “频率” 和 “强弱” 来表⽰ 0 和 1 这样的信息. 要想传递各种不同的信息, 就需要约定好双⽅的数据格式.
定好协议，但是你⽤频率表⽰01，我⽤强弱表⽰01，就好⽐我⽤中国话，你⽤葡萄⽛语⼀样，虽然⼤家可能遵守的⼀套通信规则，但是语⾔不同，即是订好了基本的协议，也是⽆法正常通信的

所以，完善的协议，需要更多更细致的规定，并让参与的⼈都要遵守
⼀般具有定制协议或者标准的资格的组织或者公司都必须是业界公认或者具有江湖地位的组织或者公司
如：

1. 国际标准化组织：◦ IEEE（电⽓和电⼦⼯程师协会）：这是⼀个由计算机和⼯程领域专家组成的庞⼤技术组织，在通信协议领域贡献突出。IEEE制定了全世界电⼦、电⽓和计算机科学领域30%左右的标准，包括IEEE 802系列标准，这些标准涵盖了从局域⽹（LAN）到⼴域⽹（WAN）等多种⽹络技术。

ISO（国际标准化组织）：ISO是由多个国家的标准化团体组成的国际组织，它在开放系统互连（OSI）模型⽅⾯的⼯作尤为著名。OSI模型定义了⽹络通信的七层协议结构，尽管在实际应⽤中，TCP/IP协议族更为普遍，但OSI模型仍然在学术和理论研究中占有重要地位。

ITU（国际电信联盟）：ITU是联合国下属的专⻔机构，负责制定电信领域的国际标准。ITU-T制定的标准涵盖了电话和⽹络通信，与ISO合作确保了通信技术的全球兼容性和互操作性。

2. 区域标准化组织：ETSI（欧洲电信标准学会）：由欧洲共同体各国政府资助，是⼀个由电信⾏业的⼚商与研究机构参加并从事研究开发到标准制定的组织。

ASTAP（亚洲与泛太平洋电信标准化协会）：1998年由⽇本与韩国发起成⽴的标准化组 织，旨在加强亚洲与太平洋地区各国信息通信基础设施及其相互连接的标准化⼯作的协作。

3. 公司： 某些公司，如泰凌微，也⾃研各种标准的软件协议栈，包括低功耗蓝⽛、zigbee、thread及Matter等，并可进⾏定制化改动，这是其核⼼竞争⼒之⼀。泰凌微还计划重点发展智能电⼦价签、智能遥控、智能家居等市场。

4. ⺠间国际团体：IETF（互联⽹⼯程师任务组）：这是⼀个负责开发和推⼴互联⽹协议（特别是构成TCP/IP协议族的协议）的志愿组织，通过RFC发布新的或者取代⽼的协议标准。

5. 官⽅机构： FCC（联邦通信委员会）：美国对通信技术的管理的官⽅机构，主要职责是通过对⽆线电、电视和有线通信的管理来保护公众利益。也对包括标准化在内的通信产品技术特性进⾏审查和监督。

协议分层

协议本质也是软件，在设计上为了更好的进⾏模块化，解耦合，也是被设计成为层状结构的

协议分层的好处:

下面举例说明：

在这个例⼦中, 我们的”协议”只有两层:语⾔层、通信设备层。

但是实际的⽹络通信协议，设计的会更加复杂, 需要分更多的层

但是通过上⾯的简单例⼦，我们是能理解，分层可以实现解耦合，让软件维护的成本更低

OSI七层模型：

OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）七层⽹络模型称为开放式系统互联参考模型，是⼀个逻辑上的定义和规范;

把⽹络从逻辑上分为了7层. 每⼀层都有相关、相对应的物理设备，⽐如路由器，交换机;

OSI 七层模型是⼀种框架性的设计⽅法，其最主要的功能使就是帮助不同类型的主机实现数据传输;

它的最⼤优点是将服务、接⼝和协议这三个概念明确地区分开来，概念清楚，理论也⽐较完整. 通过七个层次化的结构模型使不同的系统不同的⽹络之间实现可靠的通讯;

但是, 它既复杂⼜不实⽤; 所以我们按照TCP/IP四层模型来讲解.


其实在⽹络⻆度，OSI定的协议7层模型其实⾮常完善，但是在实际操作的过程中，会话层、表⽰层是不可能接⼊到操作系统中的，所以在⼯程实践中，最终落地的是5层协议。

但是要理解上⾯的话，需要我们学习完⽹络才可以理解，这⾥就知道就可以

TCP/IP五层(或四层)模型
TCP/IP是⼀组协议的代名词，它还包括许多协议，组成了TCP/IP协议簇.

TCP/IP通讯协议采⽤了5层的层级结构，每⼀层都呼叫它的下⼀层所提供的⽹络来完成⾃⼰的需求.

物理层: 负责光/电信号的传递⽅式. ⽐如现在以太⽹通⽤的⽹线(双绞 线)、早期以太⽹采⽤的的同轴电缆(现在主要⽤于有线电视)、光纤, 现在的wifi⽆线⽹使⽤电磁波等都属于物理层的概念。物理层的能⼒决定了最⼤传输速率、传输距离、抗⼲扰性等. 集线器(Hub)⼯作在物理层.

数据链路层: 负责设备之间的数据帧的传送和识别. 例如⽹卡设备的驱动、帧同步(就是说从⽹线上检测到什么信号算作新帧的开始)、冲突检测(如果检测到冲突就⾃动重发)、数据差错校验等⼯作. 有以太⽹、令牌环⽹, ⽆线LAN等标准. 交换机(Switch)⼯作在数据链路层.

⽹络层: 负责地址管理和路由选择. 例如在IP协议中, 通过IP地址来标识⼀台主机, 并通过路由表的⽅式规划出两台主机之间的数据传输的线路(路由). 路由器(Router)⼯作在⽹路层.

传输层: 负责两台主机之间的数据传输. 如传输控制协议 (TCP), 能够确保数据可靠的从源主机发送到⽬标主机.

应⽤层: 负责应⽤程序间沟通，如简单电⼦邮件传输（SMTP）、⽂件传输协议（FTP）、⽹络远程访问协议（Telnet）等. 我们的⽹络编程主要就是针对应⽤层.

物理层我们考虑的⽐较少，我们只考虑软件相关的内容. 因此很多时候我们直接称为 TCP/IP四层模型.

⼀般⽽⾔：

对于⼀台主机, 它的操作系统内核实现了从传输层到物理层的内容;

对于⼀台路由器, 它实现了从⽹络层到物理层;

对于⼀台交换机, 它实现了从数据链路层到物理层;

对于集线器, 它只实现了物理层;


再识协议：
为什么要有TCP/IP协议？
⾸先，即便是单机，你的计算机内部，其实都是存在协议的，⽐如：其他设备和内存通信，会有内存协议。其他设备和磁盘通信，会有磁盘相关的协议，⽐如：SATA，IDE，SCSI等。只不过我们感知不到罢了。⽽且这些协议都在本地主机各⾃的硬件中，通信的成本、问题⽐较少。

其次，⽹络通信最⼤的特点就是主机之间变远了。任何通信特征的变化，⼀定会带来新的问题，有问题就得解决问题，所以需要新的协议咯。

所以，为什么要有TCP/IP协议？本质就是通信主机距离变远了
什么是TCP/IP协议？

TCP/IP协议的本质是⼀种解决⽅案

TCP/IP协议能分层，前提是因为问题们本⾝能分层

TCP/IP协议与操作系统的关系(宏观上，怎么实现的)

协议的朴素理解：所谓协议，就是通信双⽅都认识的结构化的数据类型

⽹络传输基本流程

局域⽹⽹络传输流程图

局域⽹(以太⽹为例)通信原理
认识MAC地址:

MAC地址（Media Access Control Address）是固化在网卡里的物理地址，用来在局域网（LAN）里唯一标识一块网卡。
可以把它看成网卡的“身份证号”，出厂就烧进去了，全球理论上唯一。

MAC地址⽤来识别数据链路层中相连的节点;

⻓度为 48 ⽐特位, 即 6 个字节. ⼀般⽤ 16 进制数字加上冒号的形式来表⽰(例如: 08:00:27:03:fb:19)

在⽹卡出⼚时就确定了, 不能修改. mac地址通常是唯⼀的(虚拟机中的mac地址不是真实的mac地址, 可能会冲突; 也有些⽹卡⽀持⽤⼾配置mac地址).

局域⽹通信原理:

“在同一条‘共享电缆’（或无线频点）里，用 MAC 地址当‘门牌’，靠交换机/无线 AP 做‘宿管’，把以太网帧（或 802.11 帧）准确塞到目标网卡。”
初步明⽩了局域⽹通信原理，再来看同⼀个⽹段内的两台主机进⾏发送消息的过程:

⽽其中每层都有协议，所以当我进⾏进⾏上述传输流程的时候，要进⾏封装和解包

报头部分，就是对应协议层的结构体字段，我们⼀般叫做报头

除了报头，剩下的叫做有效载荷

所以报⽂ 报头 + 有效载荷

像上面应用层：应用层报头就是此层的报头其余为有效载荷

不同的协议层对数据包有不同的称谓：在传输层叫做段(segment)在⽹络层叫做数据报 (datagram)在链路层叫做帧(frame).

应⽤层数据通过协议栈发到⽹络上时,每层协议都要加上⼀个数据⾸部(header),称为封装(Encapsulation).

⾸部信息中包含了⼀些类似于⾸部有多⻓, 载荷(payload)有多⻓, 上层协议是什么等信息.

数据封装成帧后发到传输介质上,到达⽬的主机后每层协议再剥掉相应的⾸部, 根据⾸部中的 “上层协议字段” 将数据交给对应的上层协议处理.

⽹络中的地址管理 – 认识IP地址

通俗来说：IP 地址 = 网络设备在逻辑层面的“门牌号”，让全球互联网知道“往哪个方向、哪条街、哪一户”送数据包。

跨⽹段的主机的数据传输. 数据从⼀台计算机到另⼀台计算机传输过程中要经过⼀个或多个路由器. 下⾯是⼀张⽰意图

对⽐IP地址和Mac地址的区别

IP地址在整个路由过程中，⼀直不变(⽬前，我们只能这样说明，后⾯在修正)
Mac地址⼀直在变

IP是⼀种⻓远⽬标，Mac是下⼀阶段⽬标，⽬的IP是路径选择的重要依据，mac地址是局域⽹转发的重要依据

IP⽹络层存在的意义：提供⽹络虚拟层，让世界的所有⽹络都是 IP ⽹络，屏蔽最底层⽹络的差异

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